大学毕业总结.pdf
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1、摘 要半导体技术的进步使D 类放大器在便携类,消费类电子产品领域再次受到关注。D 类功率放大器的理论早在上世纪6 0 年代就已经提出,但是由于当时晶体管反向器的转换速率较低,难以把载波干扰信号输入从输入信号中区分开来,输出信号有较大的失真,所以并未得到很大的发展。D类功率放大器又称开关型功率放大器,相比传统的A,B,C,AB类功率放大器,其具有高效、节能、数字化、体积小、重量轻的特点,适应便携设备高效节能的客观需求,从而在音频模拟集成领域具有很大的优势。随着设计技术的不断进步,D 类功率放大器的性能指标也逐步提高。D 类放大器,既能提供高效率又能实现高音频性能。本文采用龙鼎微电子公司推出的PA
2、M8610设计制作的D 类音频放大系统,有着优秀的主观听感和毫无生硬刺耳、令人不快的声音,不仅节省了输出量的电感和电容,节省了 P C B 面积,而且确保了量产时音质的一致性和可靠性,广泛适用于平板电视,L C D 监视器,投影电视,多媒体播放系统,D V D 播放器,游戏机,Boom B o x,音乐设备等。关键词:A 类音频功率放大器,B 类音频功率放大器,C 类音频功率放大器,AB音频功率放大器类,D 类音频功率放大器,PAM8610AbstractSemiconductor technology progress made in portable type D amplifier,co
3、nsumerelectronics field again.The theory of class D power amplifier back in the lastcentury 60s,has had raised,but due to transistor inverter at lower conversion rate,itis difficult to interfere with the carrier signal input from the input signal to distinguishthe output signal has a larger distorti
4、on,so it did not get much development.Class Dswitching power amplifier power amplifier,also known as compared to the traditionalA,B,C,AB power amplifier,its high efficiency,energy saving,digital,small size,light weight characteristics,energy efficient portable devices to adapt to the objectiveneeds
5、of to integration in the field of analog audio has a great advantage.With thedesign technology advances,D Power Amplifier performance is gradually improving.Class D amplifiers,not only to provide efficient and can achieve high audioperformance.In this paper,the PAM8610 Power Analog Microelectronics
6、Introduces Class Ddesign of the audio amplification system,with good sound effect and no stiff harsh,unpleasant voice,not only saves the output inductors and capacitors,saving PCB area,and ensure production consistency and reliability when the sound quality,widely usedin flat-panel TVs,LCD monitors,
7、projection TV,multimedia playback systems,DVDplayers,game consoles,Boom Box,music equipment and so on.Keywords:A class,B class,C class,AB class,D audio power amplifier,PAM8610目 录摘 要.IAbstract.111绪言.11.1 课题背景.11.2 本文的工作和意义.21.3 国内外概况.31.4 本文的组织结构.42功率放大器原理.52.1 音响基础知识.52.1.1声音的基本特性.52.1.2音响的结构及参数.52.
8、1.3放大器的技术指标.52.2 功率放大器基本理论.62.2.1纯音乐功放.62.2.2 AV 功放.72.2 3功放的分类.72.3 传统功率放大器.82.3.1 A类功率放大器.82.3.2 B类功率放大器.92.3.3 A B类功率放大器.112 3 4 c类功率放大器.112.4 D 类功率放大器概论.1 13系统设计.153.1 P A M 8 6 1 0 芯片简介.1 53.2 P A M 8 6 1 0 性能参数.1 63.3利用P A M 8 6 1 0 芯片设计D 类功率放大器.1 63.3.1系统参数.163.3.2电源设计.173.3.3 EMI 对策.173.3.4
9、PAM8610 测量.183.3.5印刷电路板(P C B)设计技术.194总结.21致谢.22参考文献.23独创性声明.24学位论文(设计)版权使用授权书.2521 绪言1.1课题背景近年来,半导体技术的进步使D类放大器在便携类,消费类电子产品领域再次受到关注。D类功率放大器的理论早在上世纪6 0年代就已经提出,但是由于当时晶体管反向器的转换速率较低,难以把载波干扰信号从输入信号中区分开来,输出信号有较大的失真,所以并未得到很大的发展。上世纪80年代后,M 0 S管的开关频率大大提高,由它构成的反向器的工作频率能够达到2 5 0 K H Z以上,由分立电子元件设计的D类功率放大器开始出现,但
10、是由于分立元件的较大体积和能耗,其优势未能充分发挥出来,难以与传统的A类,B类,A B类功率放大器竞争。90年代以后,以大规模集成电路为代表的半导体技术为D类功率放大器注入了新的活力,使其再次得到较大发展川D类功率放大器又称开关型功率放大器,具有高效、节能、数字化、体积小、重量轻的特点,适应便携设备高效节能的客观需求,从而在音频模拟集成领域具有很大的优势。随着设计技术的不断进步,D类功率放大器的性能指标也逐步提高。D类放大器,既能提供高效率又能实现高音频性能。它使用脉冲宽度调制(P W M)来把输入信号转换成方波信号,再去驱动输出级功率晶体管。可以有多种方法来产生P W M信号,最常用的方法是
11、采用三角波载波与输入信号相比较。另外还可以对数字信号直接使用数字信号处理(D S P)的方法得到P W M信号。D类功率放大器中的高效率来自于输出级功率晶体管工作在开关状态下,没有静态电流功耗。D类功率放大器的保真度曾经不及传统的功率放大器,但随着M 0 S管速度的提高,已经可以得到较高的P W M信号,现在的D类功率放大器的保真度已经可以和A B类功率放大器媲美。D类功率放大器最引人注目的特点在于其极高的效率,一般可达90%左右,这使其对于传统的A类和A B类功率放大器具有突出的优点。D类功率放大器对于电源电流的要求有较大降低,设备中电池的使用时间大大加长。采 用D类功率放大器的设备可以使用
12、较小的电池代替原有的大电池,减小的设备体积,降低了成本。历史上出现过三代D类放大器设计:第一代的范例是由托卡塔设计的T a c T M i l l en n i u m,它证实了 D类放大器的概念,但是该技术还不能提供足够的性能,这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的P W M信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择,音量,平衡和音调控制等复杂的前端功能,而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放大器变得价格可以承受,其次在低功耗性能上接近甚至超过了 AB类放大器,从而获得了一定的应用。第三代是最近一段时一间,现有的
13、D 类数字放大器较以前的技术已有所改善,他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了生成精确的音频,输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作,以帮助精确地实现准确的功率分配。通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出,并额外增加一套输入晶体管,这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。最后还不能忽视新的架构技术。1.2 本文的工作和意义D 类音频功率放大器具有小尺寸、高效率的优势。利用D 类功率放大器可以设计出更小更薄和更有效率的电子产品,可延长便携式产品电池的使用时间,因此在业界普遍得到认可。手机、D V D、M P 3 和 P M P 等多媒
14、体产品的普及,尤其加速了D 类功率放大器在便携式电子产品中的使用。本文基于龙鼎微电子公司推出的P A M 86 10。它是一片10W(每声道),无输出L C 滤波器并且带有直流音量控制的D 类立体声音频放大器,P A M 86 10的新一代无滤波器技术实现了低E M I,低失真以及在音频范围内平直的频率响应,这种技术已经申请了美国专禾!J,使用P A M 86 10的D 类音频放大系统不仅节省了输出量的4个电感和电容,节省了 P C B 面积,而且确保了量产时音质的一致性和可靠性.目前.P A M 推出了从1W到 25 W功率等级的D类放大器I C o P A M 86 10支持全套查分输入和
15、单端输入。全查分输入架构大大提高了共模抑制比(C M R R)和纹波抑制比音量控制,P A M 86 10内部有3 2级的数字音量电位器实现-4 0d b 至 什 3 6 d b 的音量控制,具体的音量大小由V o lu me 引脚的直流电压决定。另外,可供客户选择的F A D E模式可以使开机音量淡入.P A M 86 10内部有完善的短路保护和过热关断功能,为4 0脚的Q F N 6*6 封装,在I C 底部的导热铜板可以使I C 的热量迅速传到P C B 铜箔并散失到周围环境中。P A M 86 10采用全新的电路结构,有着优秀的主观听感,毫无生硬刺耳令人不快的声音。P A M 86 1
16、0在 12v 电源电压、8 Q 负载、输出功率5 W 的时候,当对输出波形进行快速傅里叶变换,可以看到二次谐波失真为一6 5 dB,三次谐波失真8 0 dB,失真频谱主要是偶次谐波成分。P A M 8 6 1 0 这种类似电子管放大器的音频特性,可以得到温暖甜美的音色。同时它采用领先的无滤波调制技术,没有死区时间的约束,可以实现小信号的精确还原。输出级开关动作的次数只有目2前流行的无滤波调制方式的一半,E M I 特性非常优秀。本文首先对比研究了各种传统功率放大器的原理特点呢,然后细致研究并设计了基于P A M 8 6 1 0 芯片的D 类立体声音频功率放大器。其输出功率为2 X 3 W (负
17、载 4Q),数字音量控制6 4 级,用两个按键实现,稳压电源电压+5 V,其 T H DW 1 0 铲。1.3国内外概况I M S R es ea r c h 报告指出,2 0 0 7 年全球音频放大器市场产值已突破1 0 亿美元,其中A B 类音频放大器约占整体出货量的6 0 归但未来数年内,在手机、笔记本电脑与家庭影音系统等应用的贡献下,放大器的成长将快速攀升,预估D类放大器的产值至2 0 1 1 年将可较2 0 0 6 年增长两倍。另根据市场研究机构G a r t n er的预测,全球D类音频放大器市场规模将从2 0 0 6 年的3.3 4 亿美元成长到2 0 1 1年的6.8 8 亿美
18、元,年复合成长率高达1 5.6 沆在这波增长中,最主要的驱动力来自液晶电视(L C D TV),而估计2 0 0 9 年全球液晶电视出货量仍可望成长2 5%,达 1.2 6 亿,以此为基础,D类放大器的增长自然是水涨船高。同样根据G a r t n e r 的报告,平板电视领域的D类音频放大器的年销售额将在2 0 1 1 年增长至3.5 9 亿美元,年复合成长率达1 4.7 虬除了液晶电视等大功率需求在近几年的明显提升外,随着D 类和A B 类放大器价差的接近,中低功率的应用,例如立体收音机、手机及笔记本电脑等也是不可忽视的成长力量,这些也是目前台湾地区模拟I C 公司主攻的市场。在手机方面,
19、随着手机喇叭输出功率越来越高,且 D 类放大器价格愈趋下降,D类放大器全面取代A B 类放大器已是指日可待。在笔记本电脑市场情况亦然,D类放大器可节省功耗,对于亟需延长电池寿命的笔记本电脑而言无疑是较佳的选择。探究D 类放大器产业生态,数年前该市场几乎是德州仪器、意法半导体、亚德诺(A D I)、美国国家半导体等外商盘踞的局面,其中尤以德州仪器市占率最高。不过,近几年随着台湾地区模拟业者的研发渐有成果,加上该地区晶圆代工业者提供模拟及混合信号制程的能力精进,使得台湾地区I C 设计业者也能成功推出相关产品,例如瑞昱、茂达、普诚、德信、晶豪与震一等。据茂达科技介绍,该公司于两年前推出D 类放大器
20、,目前在台湾地区手机代工市场的占有率已达四分之一,另外的应用领域则包括便携式设备、便携式导航装置(PN D)、液晶电视与显示器以及笔记本电脑等,其中尤以家用音响市场为主攻领域,如 iPo d 扩充基座(D o ckin g)等应用。其中,型号A PA 2 60 0 的D 类音频放大器I C 为采用薄型T QF N 3x3-1 6无铅封装及新式调制方式,可有效节省PC B3面积。其转换效率高达8 6%,无需外接散热片,输出功率在电源为5 伏特时,4欧姆喇叭为2.8 W;全差动结构与全桥式输出具备高效噪声抑制能力,具备短路及过热保护。普诚科技也锁定手机、便携式电子产品等领域。该公司所推出的立体声音
21、频功率放大器PT 2 0 0 4与同类型产品T PA 2 0 1 2 管脚兼容,是一款无需滤波器的2.2 瓦立体声D类音频功率放大器,设有完善的冲击声抑制功能,可有效消除开/关机时的噪声。由以上厂商的产品导向可知,台湾地区D 类音频放大器I C多应用于手机及便携式产品,至于高功率领域则仍由外商把持。不过,成立于2 0 0 1 年的德信科技在2 0 0 6年推出手机用D类音频放大器后,2 0 0 7 年发表2.7瓦、双声道、免滤波式D 类放大器,并于2 0 0 8 年下半年推出1 0 W产品E U A 2 1 0 1,它是一颗拥有双通道桥接式(B T L)组态的高效率D 类功率放大器。其输出功率
22、在操作电压为1 2 V且输出负载为8欧姆喇叭环境中,当总谐波失真为1 0%时可连续输出1 0 W的功率。同时芯片内部也具备短路保护及过温保护电路等机制,以避免在错误的操作条件下芯片被毁损。此外,该公司现正规划2 0 瓦以上的高功率 D 类放大器产品线。得注意的是,相较于国外大厂具备与DS P 整合的能力,台湾地区方面仅有瑞昱推出DS P 整合方案。瑞昱半导体在2 0 0 8 年曾发表D类音频放大器芯片A L C113、嵌入D 类音频放大器的H D音效芯片A L C8 8 9,高整合型H D音效芯片A L C2 6 9 等。其中,A L C113 是一高度整合、具立体声效果的D 类音频放大器芯片
23、,可支持达四组音频输入,同时通过12 c控制接口,可进行输出增益调节、音量调整等功能。瑞昱半导体音频产品经理王柏智特别指出,这是第一个结合了多音频输入和耳机放大器的高效能立体声效果D 类音频放大器。至于A L C2 6 9 则是一高度整合型高清音效芯片。A L C2 6 9 结合了内建喇叭所需要使用每声道2瓦特的D 类立体声音频放大器,可让笔记本电脑制造商缩减物料成本,提供了外部线路精简的设计,并缩小音效应用线路布局面积。1.4 本文的组织结构本文的内容安排如下1 简介了 D 类功率放大器的发展前沿和应用领域,介绍了其突出的优点。2对比介绍了各种传统功率放大器和D 类功率放大器的原理和特点。3
24、详细介绍了电路中各个部分的设计电路,工作原理和模拟结果。4本文的结论部分,对整个论文工作进行系统的总结,对于下一步的工作提出自己的看法。42 功率放大器原理2.1 音响基础知识2.1.1 声音的基本特性音量:它与声波的物理量“振幅”有关,声波的振幅大,人耳就感觉声音响,音量大,反之,则声音轻,音量小,音量的大小是人耳听音的主观感觉。音调:是人耳对声音调子高低的主观感觉,声调的高低与声音的物理量“频率”对应。人耳的听觉范围:2 0 H z 2 0 K H z称之为可听声,低 于2 0 H z称为次声,高于2 0 K H z称为超声,人耳对3 K H z 4 K H z的声音最为敏感。音色:又叫做
25、音品或音质,它是由声音的波形决定的,电子管功率放大器的偶次谐波多,奇次谐波少,声音柔美,甜润,晶体管功放奇次谐波多,声音冷艳,清丽。2.1.2 音响的结构及参数前置放大器和功率放大器,前置放大器承担控制任务为主,对各种节目源信号进行选择和处理,对微弱信号将其放大到0.5 1 V,进行各种音质控制,以美化音色。功率放大器,承担放大义务,是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大,以推动扬声器发声。有电压放大和电流放大之分,要求是宏亮而不失真。2.1.3放大器的技术指标(1)额定功率音响放大器输出失真度小于某数 值(V I%)的最大功率成为额定功率,表达式:&,U。为负载两端的最大不失真电压,R i
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